一、冷卻成為數(shù)據(jù)中心最有價值計劃

隨著電子信息系統(tǒng)機(jī)房IT設(shè)備高度的集成化，其能源效率偏差以及機(jī)房散熱量日漸趨高的現(xiàn)象開始受到了各界強(qiáng)烈關(guān)注。

據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計，我國高端服務(wù)器集中的通信行業(yè)耗電在2017年就已達(dá)到200億度以上，信息產(chǎn)業(yè)儼然已經(jīng)成為一個高能耗行業(yè)。而服務(wù)器又是現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心機(jī)房的核心，并且24小時運(yùn)行。以我國服務(wù)器保有量為200萬臺，按每臺服務(wù)器平均功耗400瓦，每年的耗電總量約為80億千瓦時。

根據(jù)中國電信節(jié)能技術(shù)藍(lán)皮書所載， 一般機(jī)房內(nèi)芯片級主設(shè)備1 W 的功耗會導(dǎo)致總體耗電量達(dá)到2.68-2.84W，而其中機(jī)房空調(diào)冷卻系統(tǒng)的耗電量約占機(jī)房總能耗的40%。由綠色網(wǎng)格組織(Green Grid)所提出的電力效率指標(biāo)P U E 數(shù)值( Power Usage Effectiveness)是通過計算機(jī)房的總能耗與所有IT主設(shè)備能耗的比值而得出的。故可估算上述機(jī)房的PUE值至少為2.68-2.84。由此推算，我國數(shù)據(jù)中心機(jī)房消耗到空調(diào)冷卻系統(tǒng)的能量至少為84億千瓦時。這也就意味著為服務(wù)器提供冷卻的機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)能耗大約能達(dá)到我國空調(diào)設(shè)備每年總能耗1/4!

據(jù)稱：Google公司的數(shù)據(jù)中心PUE年平均值可以達(dá)到1.21，中國Hp的新一代數(shù)據(jù)中心體驗中心機(jī)房夏季PUE值可以達(dá)到1.6-1.7。這一指標(biāo)如何實現(xiàn)？

據(jù)美國電力轉(zhuǎn)換公司APC最近的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)中心的冷卻成本大約占總能源賬單的50%。而國際組織Uptime Institute指出，由于數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)氣流不適當(dāng)，用于冷卻的冷空氣有60%都浪費了;數(shù)據(jù)中心的過度冷卻(overcooling)差不多達(dá)到實際需求的2倍，目前多數(shù)機(jī)房存在過度冷卻問題，相應(yīng)的機(jī)房空調(diào)機(jī)組耗能也比設(shè)計工況增加耗電50%以上，最終造成機(jī)房居高不下的高額運(yùn)行費用。

故此——優(yōu)化數(shù)據(jù)中心冷卻是排在第一位的最有價值的綠色計劃!

二、數(shù)據(jù)中心高效節(jié)能冷卻解決方案

由于現(xiàn)代電子信息系統(tǒng)機(jī)房中的空調(diào)負(fù)荷主要來自于計算機(jī)主機(jī)設(shè)備、外部輔助設(shè)備的發(fā)熱量，其大約占到機(jī)房空調(diào)總負(fù)荷的80~97%;而在服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等主設(shè)備中服務(wù)器的份額又大約占到設(shè)備散熱量的80%。所以隨著服務(wù)器集成密度的持續(xù)增高，服務(wù)器機(jī)柜設(shè)備區(qū)就成為了機(jī)房內(nèi)主要的熱島區(qū)域。從機(jī)房基礎(chǔ)架構(gòu)而言，國家標(biāo)準(zhǔn)《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計規(guī)范》GB 50174-2008規(guī)定：“當(dāng)機(jī)柜或機(jī)架高度大于1.8m、設(shè)備熱密度大、設(shè)備發(fā)熱量大的電子信息系統(tǒng)機(jī)房宜采用下送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。”而下送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是將抗靜電活動地板下空間作為空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)靜壓箱，空調(diào)機(jī)組由通風(fēng)地板向機(jī)柜、設(shè)備等熱負(fù)荷送風(fēng)。可是機(jī)房內(nèi)空調(diào)冷卻系統(tǒng)的送風(fēng)按照流體力學(xué)伯努利原理所陳述的氣流特性——“風(fēng)速大的壓力小”表明，受此特性制約的空氣流會呈現(xiàn)靠近空調(diào)機(jī)組的通風(fēng)地板出風(fēng)量較小;又由于機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的靠近空調(diào)機(jī)組的前部通風(fēng)地板已然輸送出了一定的風(fēng)量，后部的通風(fēng)地板的送風(fēng)量即會顯現(xiàn)有所減少;而到了地板末端又相反;又因為現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心機(jī)房面積為了規(guī)模效應(yīng)而愈建越大，一般安置的機(jī)房空調(diào)機(jī)組的方式是長距離的氣流對吹，由此會出現(xiàn)在抗靜電地板下產(chǎn)生風(fēng)壓相抵、通風(fēng)地板送風(fēng)量減小的現(xiàn)象。

從以上分析可見將抗靜電活動地板作為空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)靜壓箱進(jìn)行設(shè)計時，其參數(shù)選定的誤差可能會很大，這必將導(dǎo)致機(jī)房投入運(yùn)行時主設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性及機(jī)房整體能耗表現(xiàn)得差強(qiáng)人意。

現(xiàn)代機(jī)房在設(shè)計空調(diào)冷卻系統(tǒng)的送風(fēng)氣流時一般是參照設(shè)備發(fā)熱量、機(jī)柜前后溫差，以及地板高度和地板下有效斷面積等因素，再按照空調(diào)機(jī)組送氣量的30-40%來計算通風(fēng)地板開口面積;并且規(guī)定用于機(jī)柜冷卻的送風(fēng)口必須能夠提供大于機(jī)柜冷卻所需的風(fēng)量。理想狀態(tài)下機(jī)房內(nèi)活動地板下的送風(fēng)風(fēng)壓按照送風(fēng)靜壓箱的設(shè)計模式姑且認(rèn)定均勻風(fēng)壓為20Pa左右;機(jī)房通風(fēng)地板送風(fēng)風(fēng)速按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求取值3m/s;在實際應(yīng)用中選用通風(fēng)率(通風(fēng)量)高達(dá)25%的通風(fēng)地板，則當(dāng)處于理想流體狀態(tài)下的單個通風(fēng)地板理論上可以供應(yīng)的最大送風(fēng)量約為500立方英尺/分鐘(849.45m3/h)或是其能提供約3.125kw的制冷量。而現(xiàn)實運(yùn)行中的機(jī)房通風(fēng)地板最好的送風(fēng)風(fēng)速也就是1.5m/s;這就嚴(yán)重影響了空調(diào)系統(tǒng)的冷卻效果，使機(jī)房空調(diào)、以致整個機(jī)房的能效偏低。

由于現(xiàn)在機(jī)房服務(wù)器類負(fù)荷的最高散熱量近年來已攀升至每機(jī)柜20KW以上;而原有地板下送風(fēng)機(jī)房精密空調(diào)系統(tǒng)理想送風(fēng)狀況下的機(jī)房單位面積最大供冷量為4KW/㎡(更大供冷量所配置的空調(diào)機(jī)組送風(fēng)量也相應(yīng)增大，其送風(fēng)風(fēng)壓足以把地板給吹起來)，已無法滿足其需求;并直接制約著高集成度IT設(shè)備在電子信息系統(tǒng)機(jī)房行業(yè)內(nèi)的推廣應(yīng)用。

另外，現(xiàn)在IT行業(yè)服務(wù)器應(yīng)用中普遍存在利用率低下的現(xiàn)象，從而引致現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心機(jī)房諸多能效問題。故IT行業(yè)多是采用虛擬化技術(shù)來整合服務(wù)器和存儲設(shè)備，以圖機(jī)房PUE值得以降低。但是如果IT部門對其服務(wù)器和存儲進(jìn)行了虛擬化，將IT電力消耗減少了以后，事實上很可能會產(chǎn)生更加不利的電力使用效率。譬如將機(jī)房內(nèi)部分服務(wù)器進(jìn)行了虛擬化應(yīng)用，雖然能夠降低IT設(shè)備電力消耗大約20%，但如果不改變機(jī)房現(xiàn)有基礎(chǔ)架構(gòu)和使用面積，就無法避免機(jī)房出現(xiàn)過冷現(xiàn)象，也就無從降低機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)能耗。這會使得PUE值反而升高。所以IT業(yè)界進(jìn)而采用更直接的手段——測定服務(wù)器的利用效率，以圖改善單純采用PUE能效值進(jìn)行機(jī)房能效評估所造成的誤導(dǎo)。另外還有的是采用SPEC芯片利用效率測試工具類型的軟件來監(jiān)測IT設(shè)備的數(shù)據(jù)處理流量/秒(或數(shù)據(jù)吞吐量/秒)與IT設(shè)備的功耗之比的技術(shù)。

隨著IT虛擬化技術(shù)的大量應(yīng)用，機(jī)房內(nèi)勢必會出現(xiàn)散熱點趨向于關(guān)鍵的、主要運(yùn)行的高熱密度設(shè)備轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。導(dǎo)致機(jī)房內(nèi)會出現(xiàn)少量高熱密度的熱島區(qū)域，而其它非主要(輔助運(yùn)行)設(shè)備區(qū)域的空調(diào)環(huán)境冷卻需求度相對卻較少的狀態(tài)。此時如果不改變機(jī)房現(xiàn)有基礎(chǔ)架構(gòu)和使用面積，并為了避免主設(shè)備宕機(jī)或使用壽命的減少而必須維持機(jī)房內(nèi)的少量高熱密度散熱點微環(huán)境狀況不超標(biāo)，就無法避免地出現(xiàn)機(jī)房整體區(qū)域過度冷卻的現(xiàn)象。造成機(jī)房能耗及PUE能效值顯現(xiàn)得奇高。

據(jù)Uptime學(xué)會統(tǒng)計目前全球85%以上數(shù)據(jù)中心機(jī)房存在過度制冷的問題。針對機(jī)房過冷問題，在最近的調(diào)查顯示數(shù)據(jù)中心機(jī)房實際提供的冷量平均是熱負(fù)荷所需冷卻功能的2.6倍;即使這樣機(jī)房出現(xiàn)過熱部位的可能性還是達(dá)到了10%。所對應(yīng)的機(jī)房空調(diào)機(jī)組耗能也比設(shè)計工況增加能耗大約50%以上。

上面所陳述的機(jī)房實際狀況說明現(xiàn)代空調(diào)系統(tǒng)按照整體區(qū)域平均冷卻模式設(shè)計的機(jī)房空調(diào)環(huán)境如應(yīng)用于高熱密度或高散熱量的負(fù)荷就無法避免地采用了過度冷卻方式，導(dǎo)致機(jī)房能耗超高，能效值差強(qiáng)人意。這也意味著機(jī)房環(huán)境空調(diào)冷卻領(lǐng)域必須進(jìn)行相應(yīng)的按需冷卻理論和應(yīng)用方面的創(chuàng)新，以應(yīng)對服務(wù)器等類型的機(jī)房主設(shè)備發(fā)展需求和社會對其能源利用效率的要求。

針對上述數(shù)據(jù)中心機(jī)房能效現(xiàn)狀，我們提出具體的解決方案是：首先，通過對整個數(shù)據(jù)中心的紅外溫度熱場分布以及氣流流動情況，準(zhǔn)確找出問題點以便用來改善數(shù)據(jù)中心的熱效率。幫助用戶建立他們數(shù)據(jù)中心精確的模型，提出數(shù)據(jù)中心地板室溫以及返回天花板靜壓模型的能力，在溫度調(diào)節(jié)設(shè)置時從4個CRAC邊界條件中選擇設(shè)定，并通過CFD方法能夠得到流動和熱傳遞的耦合解，用以正確說明氣體流動和熱的交換;根據(jù)得到的PDU具體熱負(fù)荷來提供數(shù)據(jù)中心的評估報告，包括對數(shù)據(jù)中心氣流和熱載荷的評估，當(dāng)風(fēng)量或氣流的冷卻能力不能勝任的時候?qū)τ脩籼岢鼍妫⑻峁┚C合的冷卻能源審計報告，包括CRAC、機(jī)架和地板氣流性能的詳細(xì)分析報告。

其次，在送回風(fēng)不暢的機(jī)房區(qū)域施行將原先的通風(fēng)地板更換為高通風(fēng)率的通風(fēng)地板，以輔助下送風(fēng)機(jī)房空調(diào)的送風(fēng)效果。由于現(xiàn)有電子信息系統(tǒng)機(jī)房的氣流組織現(xiàn)狀十分復(fù)雜，導(dǎo)致主機(jī)房高熱密度負(fù)荷不能及時被空調(diào)機(jī)組所冷卻，所以須在主機(jī)房高負(fù)荷服務(wù)器機(jī)柜前方更換專用的風(fēng)機(jī)通風(fēng)地板;還可通過集約探測分布式群控風(fēng)機(jī)地板，高效節(jié)能整體地解決機(jī)房服務(wù)器機(jī)柜冷卻難題。

進(jìn)而，再通過上述控制系統(tǒng)的上位機(jī)平臺實行調(diào)整機(jī)房空調(diào)的溫濕度設(shè)置參數(shù)，使之設(shè)定在20—25℃/40—55%Rh的合理范圍內(nèi)，讓機(jī)房空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)達(dá)到既滿足機(jī)房設(shè)備冷卻所需;又避免出現(xiàn)機(jī)房過度冷卻的效果。

在應(yīng)用以上步驟的前提下;再對機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)采用聯(lián)控運(yùn)行的模式，以達(dá)到最優(yōu)散熱效果的情況以及避免出現(xiàn)空調(diào)機(jī)組功效抵消的狀況;最終可以實現(xiàn)提高數(shù)據(jù)中心的能源利用效率、節(jié)約機(jī)房散熱之冷卻系統(tǒng)的電耗。經(jīng)優(yōu)化改造后的機(jī)房其PUE值類比可達(dá)到Hp公司的動態(tài)智能散熱解決方案(Dynamic Smart Cooling)之降低數(shù)據(jù)中心散熱成本40%的同級別水平。

綜合以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出結(jié)論：配用了紅外探測控制可調(diào)速風(fēng)機(jī)通風(fēng)強(qiáng)化全鋼防靜電地板(每塊地板承重均布負(fù)荷>1400kg)的機(jī)架至少可以滿足4KW(即標(biāo)準(zhǔn)19''機(jī)柜能夠滿足輸入功率4KVA，或者是能夠裝載下20個標(biāo)稱200W的1U服務(wù)器)熱負(fù)荷的散熱;如配用特殊定制高風(fēng)量風(fēng)機(jī)的通風(fēng)地板可滿足最大25KW/機(jī)架熱負(fù)荷的散熱需求，足以解決諸如刀片服務(wù)器、或虛擬化應(yīng)用等類型的高熱密度負(fù)荷進(jìn)入機(jī)房場地后的局部熱點問題;進(jìn)而可解決數(shù)據(jù)中心機(jī)房整體能耗飆升等系列難題。

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